Um fenômeno físico exótico conhecido como anomalia de Kohn foi encontrado pela primeira vez em um tipo inesperado de material por pesquisadores do MIT e de outros lugares. Eles dizem que a descoberta pode fornecer novos insights sobre certos processos fundamentais que ajudam a determinar por que metais e outros materiais exibem as propriedades eletrônicas complexas que fundamentam grande parte da tecnologia atual.

A maneira como os elétrons interagem com os fônons - que são essencialmente vibrações que passam por um material cristalino - determina os processos físicos que ocorrem dentro de muitos dispositivos eletrônicos. Essas interações afetam a forma como os metais resistem à corrente elétrica, a temperatura na qual alguns materiais de repente se tornam supercondutores, e os requisitos de temperatura muito baixa para computadores quânticos, entre muitos outros processos.

Mas as interações elétron-fônon têm sido difíceis de estudar em detalhes porque geralmente são muito fracas. O novo estudo encontrou um novo, tipo mais forte de interação elétron-fônon incomum:os pesquisadores induziram uma anomalia de Kohn, que antes se pensava que existia apenas em metais, em um material exótico chamado semimetal de Weyl topológico. A descoberta pode ajudar a lançar luz sobre aspectos importantes da complexa interação entre elétrons e fônons, eles dizem.

A nova descoberta, com base em previsões teóricas e observação experimental, é descrito esta semana no jornal Cartas de revisão física , em um artigo dos alunos de graduação do MIT Thanh Nguyen e Nina Andrejevic, pós-doutorado Ricardo Pablo-Pedro, O cientista pesquisador Fei Han, Professora Mingda Li, e 14 outros no MIT e várias outras universidades e laboratórios nacionais.

Anomalias de Kohn, descoberto pela primeira vez na década de 1950 pelo físico Walter Kohn, refletem uma mudança repentina, às vezes descrito como uma espécie de torção ou contorção, no gráfico que descreve um parâmetro físico chamado função de resposta do elétron. Essa descontinuidade em uma curva suave reflete uma mudança repentina na capacidade dos elétrons de proteger os fônons. Isso pode dar origem a instabilidades na propagação de elétrons através do material, e pode levar a muitas novas propriedades eletrônicas.

Essas anomalias foram observadas antes em certos metais e em outros materiais altamente condutores de eletricidade, como o grafeno, mas nunca tinha sido visto ou previsto antes em um "material topológico, "cujos comportamentos elétricos são robustos contra perturbações. Neste caso, um tipo de material topológico chamado semimetal de Weyl, especificamente fosforeto de tântalo, foi considerado capaz de exibir esta anomalia incomum. Ao contrário dos metais convencionais, onde uma propriedade chamada superfície de Fermi leva à formação da anomalia de Kohn, neste material, os pontos Weyl servem como força motriz.

Como os acoplamentos elétron-fônon estão ocorrendo em praticamente todos os lugares o tempo todo, eles podem ser uma importante fonte de perturbação em sistemas físicos delicados, como aqueles usados ​​para representar dados em computadores quânticos. Medindo a força dessas interações, que é a chave para saber como proteger essas tecnologias baseadas em quantum, tem sido muito dificil, mas esta nova descoberta, Li diz, fornece uma maneira de fazer tais medições. "A anomalia de Kohn pode ser usada para quantificar o quão forte pode ser o acoplamento elétron-fônon, " ele diz.

Para medir as interações, a equipe fez uso de sondas avançadas de espalhamento de nêutrons e raios-X em três laboratórios nacionais - Laboratório Nacional de Argonne, Laboratório Nacional de Oak Ridge, e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia - para investigar o comportamento do material de fosfeto de tântalo. "Previmos que há uma anomalia de Kohn no material apenas com base na teoria pura, "Li explica, Usando seus cálculos, "poderíamos guiar os experimentos até o ponto em que queremos pesquisar o fenômeno, e vemos um acordo muito bom entre a teoria e os experimentos. "

Martin Greven, um professor de física da Universidade de Minnesota que não estava envolvido nesta pesquisa, diz que este trabalho "tem amplitude e profundidade impressionantes, abrangendo teoria sofisticada e experimentos de espalhamento. Ele abre novos caminhos na física da matéria condensada, na medida em que estabelece um novo tipo de anomalia de Kohn. "

Uma melhor compreensão dos acoplamentos elétron-fônon poderia ajudar a abrir caminho para o desenvolvimento de materiais como melhores supercondutores de alta temperatura ou computadores quânticos tolerantes a falhas, dizem os pesquisadores. Esta nova ferramenta pode ser usada para sondar propriedades de materiais em busca daqueles que permanecem relativamente inalterados em altas temperaturas.

Brent Fultz, professor de ciência dos materiais e física aplicada na Caltech, que também não estava envolvido neste trabalho, acrescenta que "talvez esses efeitos ajudem no desenvolvimento de materiais com novas propriedades térmicas ou eletrônicas, mas como eles são tão novos, precisamos de tempo para pensar sobre o que eles podem fazer. "

Nguyen, o autor principal do artigo, diz que acha que este trabalho ajuda a demonstrar a importância às vezes esquecida dos fônons no comportamento de materiais topológicos. Materiais como esses, cujas propriedades elétricas de superfície são diferentes daquelas do material a granel, são uma área quente de pesquisa atual. "Acho que isso pode nos levar a entender melhor os processos que fundamentam alguns desses materiais que são muito promissores para o futuro, "diz Andrejevic, que junto com Han foi um co-autor principal do artigo.

"Embora a interação elétron-fônon seja conhecida há muito tempo, a previsão experimental e observação dessas interações são extremamente raras, "diz o professor de física e astronomia Pengcheng Dai da Rice University, que também não estava envolvido neste trabalho. Esses resultados, ele diz, "fornecem uma excelente demonstração do poder da teoria combinada e experimentos como uma forma de estender nossa compreensão desses materiais exóticos."

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.